§ 5.1. Визначення швидкості хімічної реакції

Хімічна термодинаміка вивчає можливість, напрямок і межі самовільного перебігу хімічних процесів. Однак механізм і швидкість процесів у хімічній термодинаміці не розглядаються. У той же час уявлення про швидкість хімічних реакцій і факторів, що впливають на неї, винятково важливе для керування хімічними процесами. Розділ хімії, що вивчає механізм хімічних реакцій і швидкість їх перебігу, називається хімічною кінетикою.

Хімічні реакції можуть проходити з різними швидкостями. Одні з них відбуваються миттєво: 2H₂ + O₂ 2H₂O, інші проходять протягом декількох секунд, хвилин:

CuSO₄ + 2NaOH Na₂SO₄+Cu(OH)_2,

FeCl₃ + 3NaOH 3NaCl+Fe(OH)₃ .

Біологічні реакції можуть тривати роки, десятиріччя, а перетворення деревини у вугілля відбувається протягом сторіч, тисячоріч. При вивченні швидкості хімічних реакцій необхідно розрізняти гомогенні і гетерогенні реакції.

Гомогенні реакції – це такі реакції, у яких вихідні речовини і продукти знаходяться в однакових агрегатних станах: газоподібному (г) чи рідкому (р), чи твердому (т) і не мають між собою поверхні розділу.

Гетерогенні реакції– це реакції, у яких вихідні речовини і продукти реакції мають між собою поверхню розділу і можуть знаходитися як у різних так і у однакових агрегатних станах.

У хімічній кінетиці розрізняють миттєву (чи істину) і середню швидкість.

Миттєва швидкістьхімічної реакції визначається першою похідною концентрації за часом.

_митС – концентрація реагуючих речовин (моль/л);

t – час реакції, с.

Середня швидкістьреакціїдорівнює зміні концентрації (С) реагуючих речовин за певний проміжок часу (t):

.

Розмірність швидкості реакції моль/л^.с.

Швидкість гомогенної реакціївизначається як кількість речовини, що вступила в реакцію або утворилася в результаті хімічної реакції за одиницю часу в одиниці об'єму:

; n – число молів, які беруть участь у реакції за час t;

V – об’єм (л);

–молярна концентрація (моль/л).

Швидкість гетерогенної реакції– це кількість речовини, що вступила в реакцію чи утворилася у результаті її за одиницю часу на одиниці площі поверхні фази:

; S- площа поверхні фази.

§ 5.2. Фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції

1. Залежність швидкості хімічної реакції від природи реагуючих речовин.

Говорити про швидкість хімічної реакції має сенс, якщо природа реагуючих речовин дозволяє їм вступати в хімічну взаємодію. Наприклад, природа реагуючих речовин дозволяє проходити першій і другій реакціям, але не дозволяє третій.

1. 2Mg + O₂ 2MgО

2. Zn + 2HCl ZnCl₂ + H₂↑

3. NaOH + KOH ≠

Вірогідність зіткнення реагуючих частинок у випадку гомогенної реакції пропорційна концентраціям реагуючих речовин.

2. Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин визначаєтьсязаконом дії мас,що був встановлений у 1867 р. дослідним шляхом вченими Гульдбергом і Вааге.

Швидкість хімічної реакції за сталої температури пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступені, що дорівнює стехіометричному коефіцієнту, що стоїть перед формулою даної речовини в рівненні реакції.

Закон дії мас справедливий тільки для найбільш простих за своїм механізмом реакцій взаємодії, що проходять у газах чи у розведених розчинах.

Для гомогенних реакцій:

1. aА_(Р) + bВ_(Р) ↔ cС_(Р) + dD_(Р); (T=const)

2. 3H_2(Г) + N_2(Г) ↔ 2NH_3(Г); .

Для гетерогених реакцій:

1. aA_(Т) + bB_(Г) = cC_(Г) + dD_(Г);

2. C _(Т)+О_2(Г) =CO_2(Г);

У законі дії мас не враховуються концентрації речовин, що знаходяться у твердій фазі. Чим більше площа поверхні твердої фази, тим вища швидкість хімічної реакції.

k – константа швидкості хімічної реакціївизначається природою реагуючих речовин і залежить від температури, від присутності в системі каталізатора, але не залежить від концентрації реагуючих речовин. Константа швидкості являє собою швидкість хімічної реакції (), якщо концентрації реагуючих речовин.

Ця константа є величиною сталою за умови сталості температури і характеризує природу реагуючих речовин. Записуючи вираз закону дії мас, слід пам’ятати, що показники степенів найчастіше не дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам сумарного рівняння реакції і мають дещо формальний характер. Сума показників степенів у рівнянні швидкості хімічної реакції є важливою характеристикою механізму процесу, і її називають порядком хімічної реакціїю.

3. Залежність швидкості хімічної реакції від тиску.Для газоподібних систем збільшення тиску чи зменшення об’єму рівноцінне збільшенню концентрації, і навпаки.

Задача: як зміниться швидкість хімічної реакції2SO_2(Г) + O_2(Г) 2SO_3(Г), якщо тиск у системі збільшити в 4 рази?

Розв’язок.

У відповідності із законом дії мас для прямої реакції записуємо вираз:

, нехай [SO₂]=a моль/л, [O₂]=b моль/л, тоді за законом дії мас .

Зменшення об’єму в 4 рази відповідає збільшенню концентрації в системі в 4 рази, тоді

;